OPアンプとトランジスタで作る可変電圧電源

■問題

【電源回路　実験用電源　ADA4511　2SCR582D3 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，OPアンプ(ADA4511)⁽¹⁾とNPNトランジスタ(2SCR582D3)⁽²⁾を使用した，出力電圧可変の実験用電源の回路です．ツェナー・ダイオード(D₁)で5.1Vの基準電圧を作り，抵抗値100kΩ，Bカーブ特性のボリューム(VR₁)で出力電圧を可変します．VR₁の摺動子の位置がセンターのとき，OUT端子の電圧は(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　OPアンプとNPNトランジスタを使用した，出力電圧可変の実験用電源の回路
VR₁の摺動子の位置がセンターのとき，OUT端子の電圧は？

(a) 2.55V　(b) 5.1V　(c) 7.65V　(d) 10.2V

■ヒント

　Bカーブのボリュームは，摺動子の回転角度に対し，直線的に抵抗比が変化します．そのため，摺動子の位置がセンターのとき，OPアンプにはツェナー電圧の1/2の電圧が加わります．そして，OPアンプ(U₁)が非反転増幅回路と動作していることを考えると，OUT端子の電圧は簡単に計算できます．

■解答

(d) 10.2V

　ツェナー電圧が5.1Vのため，OPアンプの+入力端子には2.505Vの電圧が加わります．OPアンプ(U₁)が非反転増幅回路として動作しているため，そのゲインは次式となります．
(R₁+R₂)/R₂=(30k+10k)/10k=4
　したがって，OUT端子の電圧は次式となります．
2.505V*4=10.2V

■解説

●電源回路の構成
　図2は，シリーズ・レギュレータと呼ばれる電源回路の原理図です．可変抵抗素子の抵抗値を制御することで，出力電圧が一定になるようにします．誤差増幅器は，出力電圧を抵抗(R₁，R₂)で分圧した値が，基準電圧と等しくなるように，可変抵抗素子の抵抗値を制御します．
　この回路は，基準電圧(V_ref)を入力とした，非反転増幅回路と考えることができます．そのため，出力電圧(V_OUT)は，式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　可変抵抗素子としては，NPNトランジスタやPNPトランジスタ，またはNchMOSFETやPchMOSFETなどが使用できます．

図2　シリーズ・レギュレータと呼ばれる電源回路の原理図
この回路は，基準電圧を入力とした，非反転増幅回路と考えることができる．

●出力電圧可変の動作説明
　図3は，図1の出力電圧可変電源の動作を説明するための回路図です．この電源では，可変抵抗素子として，NPNトランジスタ(Q₁)を使用しています．そのため，この電源が出力することのできる最大電流は，OPアンプの最大電流と，トランジスタの電流増幅率(β)をかけたものになります．

図3　OPアンプとNPNトランジスタを使用した出力電圧可変電源の動作説明用回路

　図2の基準電圧に該当するのが，ツェナー・ダイオード(D₁)とボリューム(VR₁)です．ツェナー・ダイオードは，流れる電流が変化しても，ほぼ一定の電圧(V_Z)を出力することができます．VZをボリュームで分圧したものが，V_refになります．
　使用しているのは，Bカーブのボリュームのため，分圧比は直線的に変化します．ボリュームの抵抗値をRとし，摺動子の位置(k)を0～1で表すと，RAの値は式2で表せます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　また，R_Bの値は式3で表すことができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　式2および式3を使用すると，V_refの値は，式4のように求まります．

・・・・・・・・・・(4)

　出力電圧(V_OUT)は，式1に式4を代入して，式5のように求まります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　ボリュームの位置を最大の1にしたときは，V_OUTは式6のように20.4Vになります．

・・・・・・・・・・・・・(6)

　つまりこの電源は，0V～20.4Vまで出力電圧を変化させることができます．なお，ボリュームがセンターのときは，20.4Vの半分の10.2Vになります．

●出力電圧可変電源の動作確認
　図4は，図1の出力電圧可変電源回路をシミュレーションするための回路図です．

図4　出力電圧可変電源回路の出力電圧をシミュレーションするための回路
パラメータ(k)を変化させることで，ボリュームの位置を変えたシミュレーションを行う．

　図1のボリューム(VR₁)は2つの抵抗(VR_A，V_RB)に置き換え，パラメータ(k)を変化させることで，ボリュームの位置を変えたシミュレーションを行います．なお「.param」コマンドで抵抗値を計算していますが，0Ωとなることがないように，5mΩ加算しています．また，OUT端子には負荷として1Aの電流源を接続しています．
　図5は，図4のシミュレーション結果です．横軸はボリューム位置を表す「k」となっています．

図5　出力電圧可変電源回路の出力電圧のシミュレーション結果
横軸はボリューム位置を表す「k」となっています．

　上段は，OUT端子の電圧で，0V～20.3Vまで変化しています．下段は，出力トランジスタ(Q₁)の消費電力で，出力電圧が低いほど大きな値となっています．最大値は，21W程度となっているため，トランジスタが過熱しないよう，放熱に十分注意する必要があります．

●出力電圧可変電源の負荷特性の動作確認
　図6は出力電圧可変電源回路の負荷特性シミュレーションするための回路です．負荷(I_L)の電流値を0Aから1Aまで変化させて出力電圧の変化を確認します．なお，ボリューム位置を表すパラメータ(k)は0.5としています．

図6　出力電圧可変電源回路の負荷特性シミュレーションするための回路
負荷(I_L)の電流値を0Aから1Aまで変化させて出力電圧の変化を確認する．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．負荷電流が変化してもOUT端子の電圧はほとんど変化していないことが分かります．

図7　出力電圧可変電源回路の負荷特性のシミュレーション結果
負荷電流が変化してもOUT端子の電圧はほとんど変化していない．

　以上，OPアンプとNPNトランジスタを使用した出力電圧可変電源について解説しました．可変抵抗素子としてPNPトランジスタを使用すると，出力電圧の最大値を，入力電圧に近い値にすることができます．ただし，発振安定性が悪化することがある点に，注意が必要です．

◆参考・引用*文献
ADA4511データシート：アナログデバイセズ
2SCR582D3データシート：ローム

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice12_004.zip

●データ・ファイル内容
Power_supply.asc：図4の回路
Power_supply.plt：図5のグラフを描画するためのPlot settingsファイル
Power_supply_IL.asc：図6の回路